半导体光电子学第7章 半导体中的光吸收和光...ppt课件

第七章半导体中的光吸收和光探测,半导体对光的吸收机构大致可分为：本征吸收；激子吸收；晶格振动吸收；杂质吸收；自由载流子吸收.参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：价电子；内壳层电子；自由电子；杂质或缺陷中的束缚电子，,7.1本征吸收,如果有足够能量的光子作用到半导体上，价带电子就有可能被激发到导带而形成电子一空穴对。这样的过程称为本征吸收。第一章已经提到，这种受激本征吸收使半导体材料具有较高的吸收系数，有一连续的吸收谱，并在光子振荡频率=Eg/h处有一陡峭的吸收边，在1.24/Eg)的区域内，材料是相当透明的。由于直接带隙与间接带隙跃迁相比有更高的跃迁速率，因而有更高的吸收系数或在同样光子能量下在材料中的光渗透深度较小。与间接带隙材料相比，直接带隙材料有更陡的吸收边，,图7.1-1比较了几种直接带隙材料(GaAs、In0.7Ga0.3As0.64P0.36、In0.53Ga0.47As)和间接带隙材料(Ge、Si)的光吸收系数和渗透深度与入射光波长的关系。,.,一、直接带隙跃迁引起的光吸收,1允许跃迁在外光场作用下导带电子向价带跃迁的几率为,在1.2中已提到在直接带隙跃迁吸收中，可以产生允许的和禁戒的跃迁。,(1.2-25),当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时，即满=2=1，则上式括号中第一个指数变为1。由式(1.2-25)还可以看到，当满足,(1.2-26),时，则括号中第二个指数变为1，这时括号中就有非零值。这说明，只有当半导体中的电子在辐射场作用下满足动量守恒(k选择定则)所产生的跃迁才有最大的跃迁几率。,.,由式(1.2-25)和式(1.2-26)可以看出，当满足动量守恒时产生允许的直接带隙跃迁，这时价带能量的最大值所对应的波矢k=kmax与导带能量最小值的波矢k=kmin。均在布里渊区的原点，即kmax=kmin=0，如图7.1-2所示。允许的直接跃迁有最大的跃迁几率，且跃迁矩阵元与波矢k基本无关。,(1.2-25),(1.2-26),.,吸收系数写为,(7.1-7),其中A为常数,(7.1-8),mr折合有效质量，表示为,(7.1-6),m0为自由电子的质量，其余都是所熟知的符号，只是fif表示与偶极矩阵元|M|2有关的振子强度，fif=2|M|2/m0，它通常是数量级为1的因子。,.,(7.1-7),(7.1-8),式(7.1-8)所能适用的范围是有限的，当(h-Eg)的值较大时，吸收系数随h变化缓慢，d随h上升的曲线斜率与能带的形状有关。而且当(h-Eg)与激子激活能(关于激子吸收将在7.2中讨论)可以相比拟时，式(7.1-7)还应作适当修改。即使h0，此时吸收系数并不为零而趋于一稳定值；当hEg的情况，其吸收系数为,(7.2-11),式中,当h=Eg时，则有ex(Eg)=0(Eg)；当hEg，则0，则ex(h)=A(h-Eg)1/2，即h很大时，库仑引力趋于零，其激子的影响不明显，这时的吸收系数即可用7.1中直接带隙跃迁的吸收系数表示，但其值仍比没有考虑电子-空穴库仑引力时大，当hEg时，为分立的激子态，吸收谱线宽度受热散射而展宽，在多数半导体中只能在低温下观察到n=1的吸收峰，图7.2-2给出了激于吸收的理论曲线，横坐标为-1处对应于n=1的激于吸收峰。图7.2-3则表示InP中的激于吸收谱的实验曲线，从中可看出激子吸收峰。类似的吸收谱也在GaAs中观察到。,.,对于禁戒的直接跃迁中的激子吸收，当hEg时，可得到一系列的线状谱，其强度比例于(n2-1)/n2，可见没有n=1的谱线。h=Eg时，得到收敛于吸收边的连续谱，这时的吸收系数为,(7.2-12),(7.1-11),式中B由式(7.1-11)给出。对于较大的光子能量，吸收趋于式(7.1-10):,(7.2-13),在间接带隙跃迁半导体中，由于激子质心的动量k不为零，激子吸收也必须有声子参与。设Emin为最小的激子形成能，则间接带隙跃迁中激子引起的吸